生物质产业：未来能源新亮点

    石元春（中国科学院院士、中国工程院院士）

    闵恩泽（中国科学院院士、中国工程院院士）

    王　涛（中国工程院院士）

    李十中（中国农业大学教授）

    缘　起

    “盐碱地上可以种出‘石油’来”,来自中国工程院“生物质工程”科技论坛专家投出的“一石”,激起了传媒的“千层浪”。其实,在巨大的能源和环境压力下,以农林废弃物、油料植物为原料的清洁可再生能源———生物质能源已经越来越成为人们注目的焦点,我国科研人员已在加紧生物质能源的研发以及商业化运作的实践。今天,我们请来研究生物质工程的院士、专家,为我们展开这幅新产业蓬勃发展的壮美画卷。

    年产5000万吨的“绿色油田”

    记者：什么是生物质产业 生物质能源为什么受到如此高的重视？

    石元春：生物质产业是指利用可再生或循环的有机物质，包括农作物、树木和其他植物及其残体、畜禽粪便、有机废弃物,以及利用边缘性土地种植能源植物为原料,进行生物基产品、生物燃料和生物能源生产的产业。

    在化石能源渐趋枯竭,可持续发展、保护环境和循环经济渐成发展趋势的时候,世界开始将目光聚焦到可再生能源,特别是生物质能源上。太阳能、风能、小水电等可再生能源自身不能进行物质生产,而生物质既能贡献能量,又能像煤炭和石油那样生产出千百种化工产品。可以说,它是农业大树上萌发出的一丛茁壮新枝。除此之外,发展生物质产业还能解决秸秆露地燃烧、畜禽粪便污染、石油基地膜等对环境的污染。

    利用我国现有生物质资源的一半,以生物质为原料生产乙醇、生物柴油、生物基塑料各达年产1200万吨生产能力,可减少1.6亿吨二氧化碳净排放量,相当于对5000万吨石油的替代和建设一个大庆油田;相当于2003年进口石油量的55%和节约150亿美元外汇,或从俄罗斯进口量的9倍。这样可以大大减轻我国外交、援助、贷款的压力,降低受讹诈、受制于人的危险,也减少大量资金投入和政治外交代价。从某种程度上说,这是保障国家能源安全、国防安全和经济安全的大战略。

    闵恩泽：从长远发展战略来看,这将是我国启动循环经济、起步迈上生物质经济的开始,利用农林生物质资源发展生物炼油厂是贯彻我国以人为本、全面协调可持续发展的科学发展观的一条途径。目前我国大量进口石油,进口依存度近40%。近中期大力推广生物柴油,可以代替一小部分石油产品,可以缓和石油进口的增长,提高能源安全度。

    同时,生物柴油是清洁运输燃料,可以大大降低汽车尾气排放引起的城市空气污染,减少二氧化碳引起的温室效应;农林生物质资源可以生产生物塑料和纤维,具有生物降解性,不会引起白色污染;还可生产许多高附加值精细化工产品,如表面活性剂、溶剂、润滑剂等,也具有生物可降解性。

    解决“三农”问题的“奇兵”

    记者：您曾经在报告中提到,发展生物质产业可以为解决“三农”问题另辟蹊径。

    石元春：的确如此。生物质产业利用我国丰富的农林废弃物和非农田为原料和基地,生产市场前景广阔、与环境友好和高附加值的能源及生物化工产品,既解决了我国部分农村剩余劳动力的就业问题,又增加了农业和农民收入。

    我们算过这样一笔账,动用我国50%的低质地,即5亿亩,就可以实现年产值约1万亿元。加上秸秆、畜禽粪便等,生物质产业就可以催生1000个生物质企业,带动500万农户,促进5000万农业劳动力转移,农民增收400亿元,使4000万农户生活用能效提高2－3倍。

    《孙子兵法》上说：“凡战者,以正合,以奇胜。”我相信,生物质产业就是解决“三农”问题的一支“奇兵”,它将继传统农业由初级农产品生产向农产品加工业领域拓展之后,农业和农民增收的“第三战场”。

    记者：国外生物质产业的发展情况如何呢？

    石元春：美国已做出到2010年生物质基产品要由2001年占总产品量的5%增加到12%,燃料乙醇由占运输燃料总量的0.5%提高到4%的规划;欧盟委员会提出到2020年运输燃料的20%将用生物柴油和燃料乙醇等生物燃料替代;日本制订了“阳光计划”;印度制订了“绿色能源工程计划”。上世纪末,加拿大惊呼落后于美欧,政府调整政策后,正迎头赶上。世界经合组织于2004年9月6日公布的最新研究报告建议 各国政府应大力支持和鼓励生物质能源领域的技术创新,减小它与传统原油及天然气产品的价格差距,以最终达到替代的结果。

    闵恩泽：国外一些大企业欲占先机。美国嘉吉公司、杜邦公司、加拿大爱俄井公司都已经建立了从玉米生产燃料、化纤原料以及从秸秆生产乙醇的工业或工业示范装置,进行规模化生产的试验。

    技术突破我国独领风骚

    记者：我国在发展生物质产业上有什么优势吗？

    王涛：中国是一个人口大国,人均耕地不到0.1公顷,要完全以农产品为原料生产生物质燃料油是不可能的。但中国有广大的山区、沙区可供栽种乔灌木油料植物,作为生物质燃料油的原料。

    为此,我们对我国适合于作生物质燃料油原料的主要木本资源进行全面普查。调查发现,我国主要生物质燃料油是木本原料植物黄连木。根据对中国11个省市进行初步调查显示,目前我国黄连木现有资源量100万亩,以每亩平均产量500公斤种子计,则100万亩可产种子5亿公斤,以2500公斤生产1吨生物质燃料油计算,则可生产生物质燃料油20万吨,而且中国荒山、沙地造林任务大,如果结合造林进行种源基地的建设,则可为生物质燃料油提供充足的原料。

    目前,我们已经对黄连木的分布、生长及可利用状况进行了分析,正着手在资源集中地区建立主要生物质燃料油木本植物资源基地,并正在进行优良类型的选育并对其生物学特性、经济性状进行研究,建立起良种繁育基地。

    李十中：从技术角度讲,我国在生物质工程方面也有很强的竞争力。在生物质工程中,国际公认有三个需要解决的重大工程技术问题。一是克服木质纤维素分子对生物转化的抗性———由多糖降解为可发酵糖,二是通过微生物代谢工程和基因工程研究,高速、高效、高收率的利用可发酵糖 生物转化,三是简捷、高效的下游过程技术———产物分离,其中第一步将大分子多糖降解为可生物利用的还原糖是目前最大的技术屏障。

    尽管我国生物质技术整体水平较低,但恰恰是在这三个生物质生物利用关键技术难题方面有独到的技术优势。首先,我国采用分子振动技术与微生物酶法相结合处理木质纤维素,可以提高纤维素水解速度和水解液中还原糖浓度,显著降低可发酵糖成本。第二,在五碳糖、六碳糖微生物共代谢研究方面,我国不仅构建了可以利用木糖产乙醇的基因工程细菌,提高了用秸秆生产乙醇的经济性,还筛选、诱变得到了共代谢木糖、葡萄糖生产高光学纯度乳酸的真菌等。第三,我国开发的一体式膜生物反应器连续发酵技术,不仅解决了产物对菌种生长的抑制问题可以使微生物在高浓度发酵,而且不含细胞和生物高分子杂质的澄清发酵液有利于目标产物的分离纯化,可以简化下游提取过程。

    这三方面的技术突破,可以使我国在新兴的生物质产业领域取得国际领先地位,我们将率先在世界上有经济效益地生产燃料乙醇,降低聚乳酸前体乳酸的生产成本,使生态塑料聚乳酸树脂具备与石油基塑料竞争的经济性,最终构建起我国的生物质产业。

    闵恩泽：生物质能源的工业化生产技术也在试验过程中。从我国的农林生物质资源优势与已有科研和开发工作基础出发,我国科研人员设想了一个以植物油为原料的生物柴油炼油化工厂。中石化石油化工科学研究院与石家庄炼油化工股份分公司合作正在开发高温醇解工艺以实现这一目标,中型试验装置正在设计中。这一工艺的特点是原料适应性强,预处理简单,不用催化剂,流程短,副产甘油浓度高,无废水排放,是一种对环境无害的绿色加工工艺。另外,国内其他单位也在进行各种酯交换技术的研究,包括酶催化、固体碱催化、超声波辐射强化反应等,为生物柴油生产提供了更多选择。